Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất bia lon

i phải đặc trưng cho từng loại malt, không có mùi vị lạ. Nếu có mùi chua hoặc mốc, chứng tỏ malt còn ẩm. Malt vàng có vị ngọt dịu (nhẹ). Malt đen có vị cà phê, thơm ngọt mạnh. Độ sạch không lẫn tạp chất, hạt không bị vỡ và không hạt bị bệnh. Lượng hạt vỡ tối đa là 0,5%. Lượng hạt bệnh tối đa là 1%. Lượng hạt không nảy mầm tối đa là 5%. Độ acid: pH đường hóa là 5,5-6,5. Thành phần chính của malt thô (% chất khô): Tinh bột: 58,0 Đường khử: 4,0 Pentozan hòa tan: 1,0 Protein (N * 6,25): 10,0 Hextozan và pentozan không tan: 9,0 Protein hòa tan: 3,0 Xenluloza: 6,0 Chất béo: 2,5 Sacaroza: 5 Chất tro: 2,5 Malt đại mạch thành phẩm được bão quản trong cyclon ít nhất 1 tháng mới được đưa vào sản xuất bia. Thời gian bão quản malt không quá 2 năm. 2.1.2 Thế liệu: Thế liệu là nhóm nguyên liệu chứa đường hoặc tinh bột được sử dụng để thay thế một phần malt đại mạch trong sản xuất bia. Mục đích của việc dùng thế liệu là là giảm giá thành sản phẩm, tăng độ bền hóa lý của bia và góp phần đa dạng hóa các sản phẩm bia trên thị trường. Nhóm thế liệu chứa đường gồm có sacácharose tinh thể, các loại syrup có chứa glucose và maltose từ quá trình thủy phân tinh bột. Nhóm thế liệu chứa tinh bột gồm các loại ngũ cốc (đại mạch, bắp, gạo, lúa mạch, lúa miến, triticale), các loại củ (khoai tây, khoai lang, khoai mì…). Ở nước ta, gạo được xem là thế liệu phổ biến nhất. Gạo (Oryza sativa) có độ ẩm trung bình 10 – 13%. Thành phần hóa học (tính theo chất khô) của gạo gồm có: tinh bột 75 – 81%, đường 2 – 5%, cellulose 0,6 – 0,8%, protein tổng 7 – 11%, chất béo 1,6 – 2,5% và khoáng 1,0 – 1,2% (Kalunhans, 1992). Ưu điểm của gạo so với các loại thế liệu khác là cung cấp một hàm lượng chất chiết rất cao cho dịch nha do hàm lượng gluxit và protein khá cao, khả năng chuyển hóa thành chất hòa tan tốt (có thể đạt đến 90% chất khô). Thực tế và thực nghiệm cho thấy có thể dùng gạo thay cho malt đến 50% ( nếu malt có hoạt tính enzyme tốt). Quá trình đường hóa và lọc vẫn tiến triển bình thường. Tuy nhiên, khi sử dụng gạo với tỷ lệ cao thì sẽ làm mất cân đối tỷ lệ hàm lượng C và N trong dịch nha nên sẽ ảnh hưởng không tốt đến quá trình lên men bia. 2.1.3 Houblon (Humulus lupulus) Houblon thuộc nhóm thực vật lưỡng tính, dạng dây leo. Trong sản xuất bia chỉ sử dụng hoa cái chưa thụ phấn. Hoa đực không được sử dụng vì nó rất nhỏ, chứa ít lượng phấn hoa (lupulin), chất đắng cũng rất kém. Thành phần hóa học của hoa houblon đã sấy khô như sau: độ ẩm 10 – 14%; -acid: 2 – 12%; -acid: 2 – 10 %; tinh dầu: 0,5 – 2,0%; polyphenol : 2 – 5%; chất béo: 2 – 4%; protein tổng: 12 – 18%; cenllulose: 40 – 50%; pectin: 1 – 2% (Moll, 1991). Trong sản xuất bia, người ta chỉ quan tâm đến các thành phần -acid và -acid, tinh dầu và polyphenol trong hoa houblon vì chúng có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bia. Ngoài ra, các thành phần khác như tanin, protein, đường khử… cũng có ý nghĩa nhất định trong các bước công nghệ. Chất đắng Chất đắng là thành phần có giá trị nhất của hoa houblon do tạo cho bia có vị đắng đặc trưng và dễ chịu, tham gia vào sự tạo bọt và giúp bia bão quản được lâu (do khả năng kháng sinh chủ yếu đối với nhóm vi khuẩn gram + trong vùng pH= 4,3 – 4,4). Người ta chia toàn bộ chất đắng trong hoa houblon thành 3 phần , và , trong đó: - phần chỉ -acid đắng và các đồng phân - phần chỉ -acid đắng và các đồng phân + nhựa mềm và - phần chỉ nhựa cứng và Phần : Humulone và các đồng phân: R % Humulone -CH2CH(CH3)2 35-70 Cohumulone -CH(CH3)2 20-55 Adhumulone -CH(CH3)CH2CH3 10-15 Prehumulone -CH2CH2CH(CH3)2 1-10 Posthumulone -CH2CH3 1-5 Hình 2: Humulông và các đồng phân Ở dạng tinh thể hình khối, humulone có nhiệt độ nóng chảy là 64,5oC, tan kém trong nước lã, tan tốt trong este, etylic, hecxan và metanol. Humulone là chất gây đắng mạnh nhất (cả số lượng và chất lượng), có độ hoạt động bề mặt lớn, nhờ đó giúp bia có khả năng tạo bọt tốt; tính kháng sinh mạnh. Người ta đã chứng minh rằng khoảng 85 – 95% chất đắng trong bia là do humulone và các đồng phân của nó gây nên. Phần : Lupulone và các đồng phân: R % Lupulone -CH2CH(CH3)2 30-55 Colupulone -CH(CH3)2 20-55 Adlupulone -CH(CH3)CH2CH3 5-10 Prelupulone -CH2CH2CH(CH3)2 1-3 Postlupulone -CH2CH3 _ Hình 3: Lupulông và các đồng phân Lupulone: nhiệt độ nóng chảy: 92oC, tan kém trong nước lã và dịch đường, tan được trong este, hecxan và metanol. Tinh thể dạng hình kim. Khả năng gây đắng của lupulone yếu hơn humulone, song khả năng kháng sinh lại mạnh hơn. Sự hoạt động bề mặt hay khả năng tạo bọt cũng kém hơn humulone. Thực tế và thực nghiệm đã chứng minh rằng: khả năng gây đắng hữu ích của gấp 9 lần . Vì vậy tổng độ đắng trong bia = . Chất lượng của hoa houblon được quy về độ đắng của . Khả năng kháng sinh của chỉ bằng 1/3 của . Nếu cho độ kháng sinh của là 1, thì tổng độ kháng sinh gây nên bởi các chất đắng trong bia là: . Chất chát – tanin: Tanin có công thức phân tử chung là C25H24O13, không bền về mặt hóa học, dễ bị oxy hóa và trùng ngưng thành dạng phlobaphene (C50H46O25), một hợp chất có màu khá đậm. Trong quá trình đun sôi dịch đường với hoa houblon, trước hết tanin được chiết trích ra ở dạng hòa tan, sau đó ở điều kiện nhiệt độ cao và thời gian kéo dài, chúng sẽ bị oxy hóa và trùng ngưng với các mức độ khác nhau. Các phần tử trùng ngưng sẽ hình thành mối liên kết đẳng điện với các phần tử protein trong dịch đường, hình thành những phức tanin – protein, tạo ra dạng kết tủa nóng trong quá trình này. Mặt khác, một dạng phức tương tự nhưng với trọng lượng phân tử nhỏ hơn không kết tủa ở điều kiện nhiệt độ cao, khi hạ nhiệt độ xuống thấp chúng sẽ tạo kết tủa, tạo ra kết tủa nguội trong dịch đường. Tanin ảnh hưởng cả lợi lẫn hại đến quá trình công nghệ. Nó kết tủa các phần protein không bền trong bia, giúp dịch đường trong nhanh hơn, tăng độ bền keo của bia. Mặt khác nó cũng kết tủa cả những phần protein bền, làm giảm khả năng tạo bọt của bia. Nếu hàm lượng tanin có trong bia vừa phải (0,012 – 0,028%) thì sẽ gây cho bia có vị chát và đắng dễ chịu, nhưng nếu cao hơn, sẽ gây ra cho bia có vị chát đắng khó chịu. Do đó, tùy theo hàm lượng tanin trong hoa nhiều hay ít, ta có thể rửa qua nước nóng một vài lần để loại bớt tanin trước khi đun sôi dịch đường với hoa. Tinh dầu: Tinh dầu trong hoa houblon gồm hơn 200 chất: terpen, ester, ketone, các hợp chất chứa lưu huỳnh… Trong đó chủ yếu (3/4) là các cấu tử thuộc nhóm terpen (C5H8)n và (1/4) các cấu tử có mang oxy, đại diện chính là geraniol (C10H18O). Tinh dầu hoa ở điều kiện gia nhiệt nhẹ dễ bị oxy hóa, khi đó tác dụng gây mùi sẽ thay đổi nhiều, thậm chí tạo ra mùi không phù hợp cho sản phẩm bia như mùi tỏi. Các dạng tinh dầu có nhóm –OH dễ tác dụng với axit béo tạo thành este phức tạp. Trong quá trình bão quản, những hợp chất khác nhau của tinh dầu sẽ bị thủy phân một phần, dẫn tới chỗ thay đổi tính chất gây thơm có lợi cho bia. Tinh dầu hoa tan rất yếu trong nước (0,4 mg/l), khó tan trong cồn thấp độ, song tan hoàn toàn trong cồn tuyệt đối và ester. Đa phần các cấu tử dễ bay hơi, thậm chí ở nhiệt độ phòng. Trong quá trình đun sôi dịch đưởng với hoa houblon, đại bộ phận những cấu tử gây hương đều bay hơi hết, tuy nhiên vẫn có một số cấu tử bị biến đổi và hình thành những sản phẩm mới bền hương, góp phần tạo hương thơm đặc trưng cho bia. Sử dụng: Các nhà sản xuất có thể sử dụng houblon dưới dạng hoa tươi, hoa khô, hoa viên hoặc cao hoa. Để thuận tiện và dễ sử dụng, ta dùng hoa viên và cao hoa. Hoa khô: từ hoa tươi đem sấy (to < 55oC) tới W= 8 – 10%; bão quản ở 0oC trong kho kín. Hoa viên: nghiền hoa khô thành bột, ép định hình thành dạng hình trụ đường kính khoảng 5 mm, có nhiều dạng: • Hoa viên loại 90: từ 100 kg hoa thu được 90 kg sản phẩm. • Hoa viên loại 45: từ 100 kg hoa thu được 45 kg sản phẩm có chứa lượng α-axit lớn. • Hoa viên đã được đồng phân hóa (isomeric): các α-axit đã được đồng phân thành iso α-axit. Cao hoa: • Cao hoa “hữu cơ”: dùng dung môi hữu cơ (hexan, metanol, metylen clorua, tricloetylen, etanol) trích ly chất đắng và tinh dầu trong hoa houblon , sau đó tách dung môi. • Cao hoa chiết bằng CO2: chứa 95-99 % α-axit đắng, nhiều tinh dầu hơn các loại cao hoa khác. Chỉ tiêu chế phẩm hoa viên loại 45: •Chỉ tiêu cảm quan: - Màu xanh lá mạ hơi vàng. -Mùi thơm đặc trưng, vị đắng dịu. -Hình dạng: viên đùn, không vỡ vụn. •Chỉ tiêu hoá học: -Hàm lượng axit đắng 8% (loại đắng) hay 6% (loại thơm). Chỉ tiêu chế phẩm cao hoa: •Chỉ tiêu cảm quan: -Dạng keo màu vàng hổ phách. -Mùi thơm đặc biệt, dễ bay hơi, dễ nhận mùi. -Vị đắng rõ rệt. •Chỉ tiêu hoá lý: -Hàm lượng α-axit đắng 30%. -Tan hết và có thể tạo kết tủa lắng nhanh khi đun sôi với nước. 2.1.4 Nước: Nước được xem là một nguyên liệu trong sản xuất bia. Thành phần hóa học của nước sẽ ảnh hưởng đến các biến đổi sinh học và hóa sinh trong quy trình sản xuất và chất lượng bia thành phẩm. Theo Kalunhans và cộng sự (1992) thì yêu cầu chất lượng nước trong sản xuất bia như sau: Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị đo Mức chất lượng 1 Độ cứng mg đương lượng/L 2-4 2 Độ kiềm tổng mg đương lượng/L 0,5-2,0 3 Độ oxy hóa mg O2/L 2 4 pH 6-7 5 Chloride mg/L Không lớn hơn 7 6 Sulphate mg/L Không lớn hơn 200 7 Sắt mg/L Không lớn hơn 0,3 8 Manganese mg/L Không lớn hơn 0,05 9 Nitrite mg/L Không lớn hơn 3 10 Nitrate mg/L Không lớn hơn 25 11 Tổng số vi khuẩn hiếu khí cfu/mL 75 12 Coliform Không phát hiện 2.1.5 Nấm men bia: Sacacharomyces pastorianus (hay Sacácharomyces carlsbergensis): loài nấm men chìm, được lai giữa 2 loài Sacácharomyces bayanus và Sacácharomyces cerevisiae. 2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bia lon: Gạo Tạp chất Malt đại mạch Tạp chất Tách tạp chất Tách tạp chất Làm lạnh Bã houblon Tách bã houblon Nghiền Nước Cặn Cặn men Làm lạnh Lọc bia Lên men phụ Lên men chính Nấm men bia Nhân giống Cấy giống Không khí vô trùng Cung cấp oxy cho dịch nha Houblon Nấu dịch nha với hoa houblon Nước Nước Nấu dịch nha Malt lót Xử lý thế liệu Nghiền Lọc dịch nha và rửa bã Bão hòa CO2 Bia lon In hạn sử dụng Làm khô lon Thanh trùng Nắp Lon Rót lon và ghép nắp Sơ đồ khối quy trình công nghệ sản xuất bia lon 2.3. Giải thích quy trình công nghệ: 2.3.1 Tách tạp chất của malt và gạo: Mục đích công nghệ: chuẩn bị. Malt và gạo có thể bị lẫn một số tạp chất như rơm rạ, bụi, kim loại… Tách tạp chất là một quá trình làm sạch nguyên liệu trước khi đưa vào sản xuất. Các biến đổi của nguyên liệu: Vật lý: sự giảm khối lượng của khối nguyên liệu. Hóa học: thành phần hóa học của cả khối nguyên liệu có sự thay đổi do quá trình đã tách được các tạp chất nhưng thành phần hóa học bên trong hạt nguyên liệu lại không có sự thay đổi. Sinh học: giảm số lượng vi sinh vật cho cả khối nguyên liệu. Thiết bị: Hệ thống rây, quạt, thiết bị tách từ. Rây sẽ tách các tạp chất có kích thước quá lớn hay quá nhỏ ra khỏi hạt. Còn quạt sẽ tách đi những tạp chất nhẹ như rơm rạ, bụi… Thiết bị tách từ để loại bỏ sắt bị lẫn trong nguyên liệu. 1-bộ phận điện từ; 2- thùng quay; 3- phễu nạp liệu; 4- cửa thoát tạp chất từ; 5-cửa tháo nguyên liệu đã được làm sạch Hình 4: Nguyên lý hoạt động của thiết bị tách từ dạng thùng quay Phần chính của thiết bị là bộ phận điện từ (1) sẽ tạo ra từ trường nhờ dòng điện. Thùng quay (2) được làm bằng nhôm hoặc đồng thau sẽ quay xung quanh bộ phận điện từ (1). Nguyên liệu cần tách từ nạp vào phễu (3) sẽ rơi xuống thùng quay (2). Các tạp chất từ sẽ bám vào thùng quay và được tách ra theo cửa (4). Nguyên liệu đã tách từ sẽ thoát ra ngoài theo cửa (5). 2.3.2 Nghiền malt và gạo: Mục đích công nghệ: chuẩn bị. Malt và gạo sẽ được nghiền nhỏ để việc thu nhận chất chiết trong quá trình nấu dịch nha đạt hiệu quả cao. Các biến đổi của nguyên liệu: Vật lý: kích thước hạt nguyên liệu giảm, nhiệt độ của khối hạt tăng do ma sát. Cần thực hiện ngay quá trình nấu dịch nha sau khi nghiền nguyên liệu để hạn chế sự giảm hoạt tính enzyme trong malt. Thiết bị và thông số công nghệ: Để nghiền malt ta sử dụng thiết bị nghiền 4 trục. Còn để nghiền gạo ta sử dụng thiết bị nghiền búa. Trong thiết bị nghiền trục, các hạt malt bị tác động ép và cắt khi đi qua khe hẹp giữa 2 trục ép. Thiết bị nghiền có các rãnh để tăng sự ma sát. Quá trình lọc sau này sử dụng nồi lọc nên không nghiền mịn malt, tránh tắc bã lọc. Khoảng cách giữa cặp trục nghiền thứ nhất là 1,3 – 1,5mm, khoảng cách giữa cặp trục nghiền thứ 2 là 0,25 – 0,4mm. Tỷ lệ các thành phần sau quá trình nghiền malt như sau: trấu 15 – 18%; tấm lớn 12 – 15%; tấm bé 30 – 35%; bột 25 – 35%. Gạo cần được nghiền mịn trên thiết bị nghiền búa. Tỷ lệ các thành phần sau quá trình nghiền gạo là: tấm lớn 30 – 35%, tấm bé 40 – 45% và bột 20 – 25%. Hình 5: Thiết bị nghiền búa 2.3.3 Xử lý thế liệu: Mục đích công nghệ: chuẩn bị. Quá trình xử lý thế liệu sẽ hỗ trợ cho giai đoạn đường hóa tinh bột xảy ra nhanh và dễ dàng trong quá trình nấu dịch nha tiếp theo. Xử lý thế liệu là thực hiện giai đoạn hồ hóa và dịch hóa phần tinh bột có trong thế liệu. Ta sử dụng chế phẩm -amylase từ vi sinh vật hoặc trong malt lót để giúp cho giai đoạn hồ hóa và dịch hóa diễn ra nhanh. Tỷ lệ malt lót sử dụng thường là 10 – 15% so với khối lượng thế liệu. Các biến đổi của nguyên liệu: Vật lý và hóa lý: dưới tác dụng của nhiệt, hạt tinh bột sẽ hút nước, trương nở và làm tăng độ nhớt của khối nguyên liệu. Khi nhiệt độ tăng đến 100oC thì cấu trúc hạt tinh bột bị phá vỡ, giải phóng các sợi amylose và amilopectin ở dạng tự do, đồng thời độ nhớt của khối nguyên liệu sẽ giảm xuống. Hóa sinh: các phân tử tinh bột bị thủy phân sơ bộ nhờ hoạt động của -amylase làm giảm khối lượng phân tử. Hóa học: đường và acid amin tự do trong nguyên liệu có thể phân hủy. Sinh học: tiêu diệt, ức chế vi sinh vật. Thiết bị và thông số công nghệ: Thiết bị có dạng hình trụ đứng, đáy cầu, xung quanh đáy là lớp vỏ áo để gia nhiệt. Bên trong thiết bị có cánh khuấy. Phương pháp thực hiện: cho thế liệu gạo với nước vào thiết bị với tỷ lệ 1:3 (w/w) và bổ sung malt lót. Gia nhiệt nhanh hỗn hợp đến 72 oC và giữ ở nhiệt độ này trong 20 – 30 phút. Sau đó, gia nhiệt nhanh hỗn hợp đến sôi và đun sôi trong 30 phút. Cánh khuấy luôn hoạt động liên tục trong suốt quá trình xử lý thế liệu. 2.3.4 Nấu dịch nha: Mục đích công nghệ: khai thác Quá trình nấu dịch nha nhằm mục đích trích ly các chất chiết từ nguyên liệu vào nước và thủy phân những cơ chất có phân tử lượng lớn (tinh bột, protein, -glucan…) thành những chất có phân tử lượng thấp (đường, acid amin…) để nấm men bia sử dụng trong quá trình lên men tiếp theo. Các biến đổi của nguyên liệu: Hóa lý: sự hòa tan của đường, acid amin, enzyme, một số vitamin và khoáng. Sự đông tụ protein do nhiệt. Hóa sinh: xảy ra nhiều loại phản ứng, quan trọng nhất là phản ứng thủy phân do enzyme từ trong malt xúc tác. _Hệ protease xúc tác các phản ứng thủy phân protein tạo các sản phẩm là polypeptide, peptide và acid amin, Topt = 45 – 50oC, pHopt 5,5. _-amylase xúc tác phản ứng thủy phân tinh bột tạo sản phẩm là maltose; Topt = 60 – 65oC, pHopt = 5,2 – 5,6. _-amylase xúc tác thủy phân tinh bột tạo sản phẩm chủ yếu là các dextrin và các oligosacácharide; Topt = 70 – 75oC, pHopt = 5,3 – 5,8. _Ngoài ra, còn có sự xúc tác của -glucanase, phosphatase… Hóa học: xảy ra phản ứng Maillard giữa đường khử và acid amin, phản ứng oxy hóa polyphenol. Thiết bị và thông số công nghệ: Thiết bị nấu dịch nha có cấu tạo tương tự như thiết bị xử lý thế liệu.Phương pháp nấu dịch nha: đun sôi 1 lần: Cho malt và nước vào thiết bị nấu với tỷ lệ 1:4 (w/w). Gia nhiệt hỗn hợp đến 50oC và dừng ở nhiệt độ này trong thời gian 30 phút. Trộn phần thế liệu đã đun sôi vào thiết bị nấu và hiệu chỉnh nhiệt độ hỗn hợp trong nồi ở 63oC, giữ hỗn hợp ở nhiệt độ này trong thời gian 20 – 30 phút. Sau đó, gia nhiệt hỗn hợp đến 72oC và giữ hỗn hợp ở nhiệt độ này cho đến khi kết thúc quá trình đường hóa (kiểm tra bằng phương pháp thử với dung dịch I2 0.02N). Sau cùng, gia nhiệt hỗn hợp lên 78oC rồi bơm qua nồi lọc. Hình 6: Nồi nấu dịch nha 2.3.5 Lọc dịch nha và rửa bã malt: Mục đích công nghệ: khai thác Các biến đổi của nguyên liệu: Đây là quá trình phân riêng pha lỏng (dịch nha) và pha rắn (bã malt chứa các hợp chất không tan). Thiết bị: Nồi lọc Cách thực hiện: bơm dịch nha vào thiết bị, cho cánh khuấy hoạt động trong một thời gian ngắn rồi tắt cánh khuấy để bã malt lắng trên lưới lọc và hình thành lớp vật liệu lọc. Cần hồi lưu phần dịch lọc đầu tiên cho đến khi dịch lọc đạt độ trong theo yêu cầu thì bắt đầu thu nhận dịch nha. Để rửa bã, ta bơm nước nóng (78oC) vào thiết bị. Cho cánh khuấy hoạt động để đánh tơi bã, giúp hòa tan các chất chiết còn sót lại trong bã vào nước rửa. Sau đó, tắt cánh khuấy và chờ tái hình thành lớp vật liệu lọc rồi thu nhận phần dịch lỏng tương tự như trên. Thời gian lọc khoảng 3 – 4h/mẻ. Hình 7: Nồi lọc dịch nha 2.3.6 Đun sôi dịch nha với hoa houblon: Mục đích công nghệ: khai thác vả chuẩn bị cho quá trình lên men. Quá trình này nhằm mục đích trích ly các chất chiết từ hoa houblon vào dịch nha, hiệu chỉnh nồng độ chất khô cho dịch nha, đông tụ protein và vô hoạt vi sinh vật trước khi lên men bia. Các biến đổi của nguyên liệu: Vật lý: gia tăng nhiệt độ, thay đổi tỷ trọng của dịch nha. Hóa học: xảy ra phản ứng Maillard, phản ứng đồng phân hóa các -acid thành iso alpha acid, phản ứng phân hủy đường và acid amin… Hóa lý: các chất chiết được trích ly từ hoa houblon vào dịch nha, xảy ra sự đông tụ protein, sự tạo phức giữa protein malt đại mạch và polyphenol của houblon sẽ hình thành nên kết tủa, sự bay hơi của nước và một số cấu tử dễ bay hơi có trong dịch nha. Sinh học: hệ vi sinh vật trong dịch nha sẽ bị ức chế hoặc tiêu diệt. Thiết bị và thông số công nghệ: Thiết bị có dạng hình trụ đứng. Bên trong có hệ thống gia nhiệt dạng ống để dẫn hơi vào. Tổng thời gian đun sôi dịch nha với houblon không kéo dài quá 2 giờ. Houblon được bổ sung 1 lần vào thiết bị cùng thời gian với nạp dịch nha. Hình 8: Nồi nấu dịch nha với hoa houblon 2.3.7 Tách bã houblon: Mục đích công nghệ: Hoàn thiện. Các biến đổi của nguyên liệu: đây là quá trình phân riêng để tách bỏ những cấu tử không tan ra khỏi dịch nha. Thiết bị: Sử dụng thiết bị lắng xoáy tâm có dạng hình trụ đứng, đáy côn. Người ta bơm dịch nha vào theo phương tiếp tuyến với tiết diện hình tròn của thiết bị. Các cấu tử rắn sẽ chuyển động theo quỹ đạo đường xoắn ốc và lắng xuống phần đáy hình trụ; sau đó, tháo phần dịch lỏng đã tách cặn nằm phía trên ra bên ngoài. 2.3.8 Làm lạnh dịch nha: Mục đích công nghệ: chuẩn bị cho quá trình lên men bia. Các biến đổi của nguyên liệu: Vật lý: dịch nha được làm lạnh từ nhiệt độ 95oC về nhiệt độ lên men (100C). Hóa lý: một số phân tử protein sẽ bị đông tụ torng quá trình làm lạnh và hình thành nên cặn mịn (tủa lạnh). Thiết bị: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bản mỏng. Thông thường, người ta dùng nước để hạ nhiệt độ dịch nha từ 95oC về 40oC, sau đó dùng tác nhân lạnh để hạ tiếp về nhiệt độ lên men của chủng nấm men bia sử dụng. Nhiệt độ hoạt động của nấm men chìm trong quá trình lên men chính thường dao động trong khoảng 6 – 15oC. 2.3.9 Cung cấp oxy cho dịch nha và cấy giống nấm men: Mục đích công nghệ: chuẩn bị cho quá trình lên men bia. Các biến đổi của nguyên liệu: Hóa lý: sự hòa tan oxy vào trong dịch nha. Thiết bị và thông số công nghệ: Thiết bị cung cấp oxy cho dịch nha có dạng 2 ống hình trụ đồng trục và được đặt lồng vào nhau. Ống trong (đường kính nhỏ) được đục lỗ trên than ống. Ta nén không khí vô trùng vào ống trong. Ống ngoài dẫn dịch nha. Tùy theo nồng độ chất khô và nhiệt độ của dịch nha, ta sẽ tính toán lưu lượng bơm dịch nha và áp suất nén không khí vào thiết bị sao cho nồng độ oxy trong dịch nha đạt 6 – 12mg/L. Để cấy giống nấm men, trong quá trình bơm dịch nha từ thiết bị nạp oxy đến thiết bị lên men, người ta sẽ bơm canh trường nấm men vào đường ống dẫn dịch nha giữa hai thiết bị này. Hình 9: Thiết bị cung cấp oxy cho dịch nha Hình 10: Vị trí bơm canh trường nấm men 2.3.10 Lên men chính: Mục đích công nghệ: Chế biến Các biến đổi của nguyên liệu: Sinh học: nấm men giống sẽ trao đổi chất và sinh trưởng trong dịch nha. Hóa sinh và hóa học: đường lên men sẽ chuyển hóa theo chu trình đường phân để tạo thành acid pyruvic rồi tiếp tục được chuyển hóa thành ethanol và khí carbon dioxide. Có rất nhiều sản phẩm trung gian và sản phẩm phụ được tạo thành như các aldehyde, rượu cao phân tử, acid hữu cơ, ester… Hóa lý: một số protein bị đông tụ do pH thay đổi và nhiệt độ thấp, một phần khí carbon dioxide do nấm men sinh ra sẽ hòa tan vào dịch lên men. Vật lý: sự tỏa nhiệt do hoạt động trao đổi chất của nấm men. Thiết bị và thông số công nghệ: Thiết bị lên men được đặt ngoài trời (tank out door). Thể tích sử dụng của thiết bị không vượt quá 85%. Đối với nấm men chìm, nhiệt độ len men chính thay đổi trong khoảng 6 – 15oC tùy theo chủng nấm men. Quá trình lên men chính diễn ra ở áp suất thường. Khi hàm lượng đường lên men còn xấp xỉ 1% thì kết thúc lên men chính. Ta làm lạnh bia non về 0 – 2oC rồi tách nấm men từ phía đáy côn của thiết bị lên men. 2.3.11 Lên men phụ: Mục đích công nghệ: Hoàn thiện Các biến đổi của nguyên liệu: Trong quá trình lên men phụ xảy ra những biến đổi tương tự như trong quá trình lên men chính nhưng với tốc độ và mức độ chuyển hóa rất thấp do nhiệt độ thấp. Ngoài ra, còn có những biến đổi sau: Hóa sinh và hóa học: quan trọng nhất là phản ứng khử diacetyl thành acetoin và 2,3 pentanedione, phản ứng ester hóa giữa rượu và acid. Hóa lý: có sự kết lắng một số phân tử protein, sự bão hòa CO2 trong bia. Sinh học: một số tế bào nấm men bị chết đi, từ đó xảy ra hiện tượng tự phân. Thiết bị và thông số công nghệ: Nhiệt độ lên men phụ là 0 – 2oC. Quá trình lên men phụ diễn ra dưới áp suất, giá trị áp suất trong thiết bị lên men có thể lên đên 0,07Mpa. Thời gian lên men phụ kéo dài vài ngày. 2.3.12 Lọc bia: Mục đích công nghệ: Hoàn thiện sản phẩm Các biến đổi của nguyên liệu: các cấu tử rắn và nấm men có trong bia được loại bỏ ra khỏi bia. Thiết bị Sử dụng thiết bị lọc dạng dĩa, lọc trong điều kiện kín. Các vật liệu lọc thường được phủ thêm một lớp bột trợ lọc diatomit hoặc polyvinylpyrrolidone (PVPP) để tách các cấu tử thật mịn hoặc polyphenol. 2.3.13 Làm lạnh bia: Mục đích công nghệ: chuẩn bị cho quá trình bão hòa CO2 Các biến đổi của nguyên liệu: giảm nhiệt độ bia sau lọc từ 5oC về 0 – 1oC. Thiết bị: Sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng bãn mỏng. 2.3.14 Bão hòa CO2: Mục đích công nghệ: Hoàn thiện Các biến đổi của nguyên liệu: hàm lượng CO2 trong bia tăng đến 0,5% w/w. Thiết bị: sử dụng thiết bị bão hòa CO2 cho bia. Áp lực CO2 khi sử dụng là 0,15 – 0,2MPa. 2.3.14 Rót bia vào lon và ghép nắp: Mục đích công nghệ: Hoàn thiện Các biến đổi của nguyên liệu: có thể xảy ra sự tổn thất CO2. Thiết bị: sử dụng hệ thống thiết bị rót và ghép nắp tự động và hoạt động liên tục. Quá trình rót được thực hiện trong điều kiện đẳng áp, sử dụng bao bì nhôm. 2.3.15 Thanh trùng: Mục đích công nghệ: Bảo quản Các biến đổi của nguyên liệu: Các vi sinh vật và enzyme trong bia sẽ bị vô hoạt. Thiết bị và thông số công nghệ: Sử dụng thiết bị thanh trùng dạng tunnel. Vùng thanh trùng có nhiệt độ là 63oC, thời gian lưu của sản phẩm trong vùng thanh trùng là khoảng 20 phút. 2.3.16 In nhãn: Mục đích công nghệ: Hoàn thiện Thiết bị: sử dụng thiết bị dán nhãn hoạt động tự động theo phương pháp liên tục. Chương 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT 3.1 Ý nghĩa của việc tính cân bằng vật chất: _Tính được lượng đầu vào, đầu ra cho từng công đoạn hay quá trình giúp cho việc chọn thiết bị có công suất phù hợp. _ Xác định được lượng nguyên liệu cần cho sản xuất từ đó giúp nhà máy lập được kế hoạch sản xuất đảm bảo cho quá trình sản xuất liên tục, ổn định. _Xác định được tổn thất, phế liệu, phụ liệu cho quá trình sản xuất. _Xác định được diện tích kho bãi chứa hợp lý. 3.2 Nguyên liệu và phương án thiết kế Thiết kế nhà máy bia lon 150S năng suất 10.000.000 l/năm. - Công thức nấu bia 150S: Bảng 3.1: Công thức nấu bia 15 0S Malt vàng 75% Gạo 25% Cao houblon ( 30% a-acid đắng) 50% hoa Houblon Houblon dạng viên (8% a-acid đắng) 50% hoa Houblon - Thông số kỹ thuật của malt và gạo: Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của malt và gạo. Độ ẩm Độ trích ly Khối lượng riêng Malt vàng 4,5 % 80 % 550 (kg/m3) Gạo 12,0 % 90 % 1200 (kg/m3) Bảng 3.3: Tổn thất trong sản xuất bia Tổn thất qua các quá trình: Giá trị Làm sạch malt (% khối lượng nguyên liệu), làm sạch thế liệu 0.5 Nghiền malt, nghiền gạo 1 Nấu dịch nha, xử lý thế liệu, nấu dịch nha với hoa houblon, lọc bã malt (% khối lượng chất khô) 3 Nấu dịch nha với hoa houblon 1,5 Lắng cặn nóng (% thể tích dịch nha nóng) 2,5 Làm lạnh dịch nha (% thể tích dịch nha nóng) 1 Lên men chính (% thể tích dịch nha lạnh) 4,5 Lên men phụ ( % thể tích bia non) 4,5 Lọc bia (% thể tích bia) 1.5 Bão hòa CO2 (% thể tích bia sau lọc) 0,5 Chiết lon (% thể tích bia sau lọc) 4 Thanh trùng (% thể tích bia được thanh trùng) 2.0 3.3 Tính cân bằng vật chất cho 100 kg nguyên liệu: Lượng malt ban đầu: 75kg. Lượng malt sau quá trình làm sạch: G1= 75*(100-0.5)/100 = 74.625 (kg). Lượng malt sau quá trình nghiền: G2= G1*(100-1)/100 = 73,879 (kg). Lượng chất chiết trong malt: G3= G2*(100-4,5)/100*80/100= 56,443 (kg). Lượng gạo ban đầu: 25 kg. Lượng gạo sau quá trình làm sạch: G1’= 25*(100-0,5)/100 = 24,875 (kg). Lượng gạo sau quá trình nghiền: G2’= G1’*(100-1,0)/100 = 24,626 (kg). Lượng chất chiết trong gạo: G3’= G2’*(100-12)/100*90/100 = 19.504 (kg). Tổng lượng chất chiết từ 100kg nguyên liệu: G4 = G3+G3’= 56.443+19.504 = 75,947 (kg). Tỷ lệ chất chiết malt : gạo = G3:G3’= 2,894 (*). Lượng chất chiết thu được sau quá trình nấu dịch nha (và xử lý thế liệu), lọc và rửa bã: G5 =G4*(100-3)/100= 73,668 (kg). Lượng chất chiết sau quá trình nấu dịch nha với hoa houblon: G6= G5*(100-1,5)/100= 72,564 (kg). Lượng chất chiết sau lắng cặn nóng: G7= G6*(100-2.5)/100= 70,749 (kg). Lượng chất chiết sau quá trình làm lạnh: G8= G7*(100-1,0)/100= 70,042 (kg). (*) => lượng chất chiết malt và chất chiết gạo lần lượt là: 52,055 kg và 17,987 kg. Khối lượng dịch nha sau quá trình làm lạnh: G9= G8*100/oS=70,042*100/15= 466,946 (kg). Lượng nước trong dịch nha là: G9-G8= 396,904 (kg). Tính hh- khối lượng riêng hỗn hợp dịch nha: hh = 920,175 (kg/m3). Thể tích dịch nha sau quá trình làm lạnh: V9= 0,507 (m3) = 507 (l). Thể tích bia sau lên men chính: V10= V9*(100-4,5)/100= 484,185 (l). Thể tích bia sau lên men phụ: V11= V10*(100-4,5)/100= 462,397 (l). Thể tích bia sau thiết bị lọc dĩa: V12= V11*(100-1,5)/100=455,46 (l). Thể tích bia sau thiết bị bão hòa CO2: V13= V12*(100-0,5)/100=453,184 (l). Thể tích bia sau thiết bị chiết lon: V14= V13*(100-4)/100= 436,056 (l). Thể tích bia sau thiết bị thanh trùng: V15 = V14*(100-2)/100= 426,355 (l). Lượng malt lót cần trong quá trình xử lý thế liệu: 10%*G2’= 0,1*24,626= 2,4626 (kg). Tính toán lượng bã malt: Tổng lượng chất khô của malt và gạo sau nghiền: 73,879*(100-4,5)/100 + 24,626*(100-12)/100 = 92,225 (kg). Tổng lượng bã khô của 100 kg nguyên liệu: 92,225 – G4 = 92,225-75,947= 16,278 (kg). Độ ẩm của bã là 80% nên lượng bã ẩm là: 16,278/0,2 = 81,392 (kg). Lượng nước trong bã: 81,392– 16,278 = 65,114 (kg). Tính toán lượng nước dùng trong quá trình nấu và rửa bã: Quá trình xử lý thế liệu (hồ hóa): Tỷ lệ gạo và nước ở thiết bị hồ hóa là: 1:3 => lượng nước cho vào nồi hồ hóa là: G2’*3 = 24,626*3=73,878 (kg). Tổng hỗn hợp bột và nước ban đầu trong nồi hồ hóa là: G2’*4 = 98,504 (kg). Tổng lượng dịch cháo sau khi đun là (bay hơi 5% lượng dịch): 98,504*0,95 = 93,579 (kg). Giai đoạn hồ hóa malt (trước khi cho thế liệu vào) trong quá trình nấu dịch nha: Tỷ lệ malt: nước ở thiết bị nấu là: 1:4 => lượng nước cho vào nồi nấu dịch nha trước khi bổ sung thế liệu là: G2*4 = 73,879*4 = 295,516 (kg). Tổng lượng dịch ở nồi nấu trước khi bổ sung thế liệu: G2*5 = 369,395 (kg). Tổng lượng dịch ở nồi nấu sau khi bổ sung thế liệu: 93,579 + 369,395 = 462,974 (kg). Lượng nước trong dịch trước khi lọc: 462,974 - 93,625 = 369,349 (kg). Tổng lượng nước cần cho nồi hồ hóa và nấu dịch nha là: 73,878 + 295,516 = 369,394 (kg). Tính toán lượng nước rửa bã: Lượng nước của dịch nha sau quá trình đun hoa: (dịch đường có nồng độ 15oBx): G5*(100-15)/15= 73,668*(100-15)/15 = 417,452 (kg). Ta có: Vnước trước lọc + Vnước rửa bã = Vnước trong bã + Vnước trong dịch nha sau rửa bã Vnước rửa bã = Vnước trong bã + Vnước trong dịch nha - Vnước trước lọc = 65,114 + 417,452 - 369,349 = 113,217 (kg). Tính toán các nguyên liệu khác: Chọn tỷ lệ houblon là 2g hoa cánh/lít bia lon. Vậy lượng hoa cánh cần dùng là: 2*V15 = 2*426,355 = 852,71 (g) 1 kg hoa viên tương đương với 1,3kg hoa cánh => lượng hoa viên cần: 852,71*0,5/1,3= 327,965 (g). 1 kg cao hoa tương đương với 6kg hoa cánh => lượng cao hoa cần: 852,71*0,5/6 = 71,059 (g). Lượng chế phẩm enzym: (nếu không sử dụng malt lót): Chế phẩm enzym Termamyl 120L được dùng với tỷ lệ 0,1% so với lượng nguyên liệu thay thế (gạo). Vậy lượng Termamyl cần dùng là: 0,1%*24,626 = 0,0246 (kg). Bột trợ lọc diatomit: Lượng bột trợ lọc cần dùng tùy thuộc vào chất lượng bột, thiết bị lọc và bề mặt lọc. Thông thường cứ 100 lít bia thì cần 0,2 kg bột trợ lọc cho nên lượng bột trợ lọc cần dùng là: 426,355*0,2/100 = 0,853 (kg) Bã hoa: Lượng chất khô không hòa tan trong hoa cánh và trong hoa viên là 60%, bã có độ ẩm 85%, cao hoa có lượng bã không đáng kể nên bã hoa chủ yếu là bã hoa viên nên lượng bã hoa sẽ là: 327,965*0,6/(1-0,85) = 1311,86 (g) = 1,312 (kg). Cặn lắng: 100 kg nguyên liệu có khoảng 1,75 kg cặn lắng, W = 80%, ở thùng lắng xoáy tâm. Sữa men: 100 lít bia (sau lên men) cho 2 lít sữa men W = 85%. 100 kg nguyên liệu (sản xuất ra 426,355 l bia nồng độ cao) sẽ cho lượng men sữa là: 426,355*2/100 = 8,5271 (l). Lượng men sữa được dùng làm men giống: G2’*10% = 24,626*10% = 2,463 (l). Lượng men sữa được dùng làm thức ăn gia súc: 8,5271 – 2,463 = 6,0641 (l). Lượng CO2: Ta có phương trình lên men như sau: C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 28 calo 180 kg 92kg 88 kg Hiệu suất lên men trong quá trình lên men là 60%. Lượng chất chiết trong dịch lên men là 70,042 kg. Vậy lượng CO2 thu được là: 70,042 x 0,6 x 88 / 180 = 20,546 (kg). Lượng CO2 hòa tan trong bia sau quá trình lên men là (2,5 g CO2/ l bia non): V12*2,5 = 1138,65 (g) = 1,139 (kg). Lượng CO2 thoát ra là: 20,546-1,139 = 19,407 (kg). Lượng CO2 thu hồi (thường là 70%): 19,407*0,7 = 13,585 (kg). Ở 10oC, 1atm thì cứ 1m3 CO2 cân nặng 1,9044kg. Vậy thể tích CO2 thu hồi được là: 13,585 / 1,9044 = 7,133 (m3) Lượng CO2 cần đạt sau quá trình bão hòa CO2 (đến hàm lượng đạt 0,5% (w/w)) (coi hh không đổi): V12 *hh *0,5% = 455,46/1000*920,175*0,5% = 2,096 (kg). Lượng CO2 cần dùng trong thiết bị bão hòa CO2 là: 2,096 - 1,139 = 0,957 (kg). Lượng CO2 dư sau khi bão hòa CO2 là: 13,585 – 0,957 = 12,628 (kg) = 6,631 (m3). Tính nồng độ bia non sau lên men: Cũng theo phương trình lên men trên với hiệu suất 60% thì lượng cồn sinh ra là: 70,042*0,6*92/180 = 21,48 (kg) = 27,22 (l) (d = 0,789 kg/l) Nồng độ cồn sau lên men: 27,22 /462,397 = 5,888% (v/v). Tính số lon và nắp cần: Thể tích 1 lon chứa 330 ml bia => Số lon (nắp) cần theo lý thuyết: n= 436,056/0,33= 1321,4 Số lon (nắp) cần thực tế: N=1321,4*104% = 1374,2 1375 Định mức tiêu hao nguyên liệu cho 1hl bia: Bảng 3.4: Bảng cân bằng sản phẩm cho bia lon lên men từ dịch đường 15oBx: Hạng mục Đơn vị Cho 100 kg NL Cho 1 mẻ nấu Cho 1 ngày Cho 1 năm sx Nguyên liệu chính Malt kg 75 583,038 5830,380 1719962,1 Gạo kg 25 194,346 1943,460 573320,7 Hoa viên g 327,965 2549,548 25495,480 7521166,6 Cao hoa g 71,059 552,401 5524,010 1629582,95 Enzym Termamyl kg 0,025 0,194 1,94 572,3 Malt lót l 2,463 19,147 191,470 56483,65 Các sản phẩm trung gian Dịch sau đường hóa kg 462,974 3599,086 35990,86 10617303,7 Dịch nóng sau đun hoa l 483,76 3760,673 37606,73 11093985,35 Dịch trước lên men l 471,66 3666,610 36666,10 10816499,5 Bia sau lên men chính,phụ l 462,397 3594,601 35946,01 10604072,95 Bia đã lọc l 455,46 3540,674 35406,74 10444988,3 Bia nồng độ cao sau bão hòa l 453,184 3522,980 35229,80 10392791 Bia chiết lon l 436,056 3389,83 33898,3 10000000 Sản phẩm phụ, phế liệu Bã malt (ẩm) kg 81,392 632,42 6324,16 1866549,25 Bã hoa kg 1,312 10,199 101,99 30087,05 Cặn lắng kg 1,75 13,604 136,040 40131,8 Sữa men chăn nuôi l 6,0641 47,141 471,41 CO2 thu hồi m3 7,133 55,451 554,510 163580,45 CO2 cần trong thiết bị bão hòa kg 0,503 3,910 39,10 11534,5 CO2 dư sau khi bão hòa CO2 m3 6,631 51,548 515,48 152066,6 Lượng nước công nghệ Nước dùng hồ hóa kg 73,878 574,316 5743,16 1694232,2 Nước dùng trong nồi nấu trước khi bổ sung thế liệu kg 295,516 2297,294 22972,94 6777017,3 Nước dùng trong hồ hóa và nấu dịch nha kg 369,394 2871,610 28716,10 8471249,5 Nước rửa bã kg 118,815 923,649 9236,49 2724764,55 Số lon (nắp) cần 1375 10690 106900 31532647,18 3.4 Tính cân bằng vật chất theo năng suất nhà máy: Năng suất nhà máy là 10 triệu lít/ năm. Mỗi năm nhà máy sản xuất theo bốn quý. Ở quý thứ 1 và quý 4 là hai quý có nhiều dịp lễ tết nên lượng bia tiêu thụ lớn do đó sản lượng vào 2 quý này là lớn nhất 30% tổng sản lượng / quý. Do đó ta tính mức tiêu hao nguyên liệu theo hai quý này. Dự kiến số ngày sản xuất trong quý là 75 ngày. Lượng bia sản xuất trong 1 ngày: Số ca làm việc: Thời gian nấu 1 mẻ là 140 phút. Số mẻ nấu trong 1 ngày: 10 mẻ. 3 ca/ ngày, mỗi ca 8 giờ. Vậy dung tích thành phẩm cho 1 mẻ nấu: Số mẻ nấu trong năm: Bảng 3.5: Bảng tổng kết số mẻ nấu trong 1 ngày,1 năm. Số ngày làm việc trong năm 295 (ngày) Lượng bia sản xuất trong ngày 101695 (l) Số mẻ nấu trong 1 ngày 10 (mẻ) Dung tích 1 mẻ nấu 10169,5 (l) Số mẻ nấu trong năm (mẻ) 3.5 Tính cân bằng năng lượng: 3.5.1 Lượng nhiệt cho nồi hồ hóa: Tổng hỗn hợp bột và nước ban đầu trong nồi hồ hóa là: 98,504 (kg). Lượng chất khô trong gạo sau nghiền: G2’*(100-12)/100 = 21,671 (kg) Độ ẩm ban đầu của hỗn hợp trong nồi : W1=(98,504- 21,671)/98,504 = 78%. Tỷ nhiệt của hỗn hợp là: C1 = 1*0,78 + 0,34*(1-0,78) = 0,855 (kcal/kgoC). Trong đó: 1 (kcal/kgoC): nhiệt dung riêng của nước 0,34 (kcal/kgoC): nhiệt dung riêng của chất khô Lượng nhiệt cần để nâng nhiệt độ hỗn hợp từ 30oC lên 72oC là: Q11 = G*C1*(T2-T1) = 98,504*0,855*(72-30) = 3537,279 (kcal) Coi lượng nhiệt cần để duy trì hỗn hợn ở 72oC là nhiệt tổn thất. Lượng nhiệt cần để nâng khối dịch từ 72oC lên 100oC là: Q12 = G*C1*(T3-T2) = 98,504*0,855*(100-72) = 2358,186 (kcal) Lượng nhiệt cần để bay hơi nước (5% lượng dịch) là: Q13 = 540*W = 540*5%*98,504 = 2659,608 (kcal) Lượng nhiệt cung cấp cho nồi hồ hóa (tổn thất 5%) là: Q1 = (Q11 + Q12 + Q13)*105% = 8982,827(kcal) Lượng nhiệt cung cấp cho nồi nấu dịch nha: Tổng lượng dịch ở nồi nấu trước khi bổ sung thế liệu: 369,395 (kg) Lượng chất khô trong malt sau khi nghiền: G2*(100-4,5)/100 = 70,554 (kg) Độ ẩm ban đầu của hỗn hợp trong nồi trước khi bổ sung thế liệu: W2 = (369,395-70,554)/369,395 = 80,9% Tỷ nhiệt của hỗn hợp trước khi bổ sung thế liệu là: C2 = 1*0,809 + 0,34* (1-0,809) = 0,874 (kcal/kgoC) Trong đó: 1 (kcal/kgoC): nhiệt dung riêng của nước 0,34 (kcal/kgoC): nhiệt dung riêng của chất khô Lượng nhiệt cần để tăng hỗn hợp lên 50oC (trước khi bổ sung thế liệu) là: Q21 = 369,395*0,874*(50-30) = 6457,025 (kcal) Tổng lượng dịch ở nồi nấu sau khi bổ sung thế liệu: 462,974 (kg). Phương trình cân bằng ẩm trước và sau bổ sung thế liệu: (W1-0,05)*98,504 + W2*369,395 = W*462,974 Hàm ẩm dịch nha sau bổ sung thế liệu W = 80,08% Tỷ nhiệt của hỗn hợp sau khi bổ sung thế liệu: C3 = 1*0,8008 + 0,34*(1-0,8008) = 0,869 (kcal/kgoC) Phương trình cân bằng nhiệt trước và sau khi bổ sung thế liệu: 98,504*0,95*100*0,855 + 369,395*50*0,874 = 462,974*T*0,869 T = 60oC Lượng nhiệt cần để hiệu chỉnh nhiệt độ hỗn hợp đến 63oC: Q22 = 462,974*0,874*(63-60) = 1213,918 (kcal) Coi lượng nhiệt cần để duy trì hỗn hợp ở 63oC và 72oC là nhiệt tổn thất. Lượng nhiệt cần để gia nhiệt hỗn hợp lên 72oC (từ 63oC): Q23 = 462,974*0,874*(72-63) = 3641,753 (kcal) Lượng nhiệt cần để gia nhiệt hỗn hợp lên 78oC (từ 72oC): Q24 = 462,974*0,874*(78-72) = 2427,836 (kcal) Tổng lượng nhiệt cần cung cấp cho nồi nấu dịch nha (tổn thất nhiệt 5%) là: Q2 = (Q21 + Q22 + Q23 + Q24)*105% = 14427,559 (kcal) Lượng nhiệt cung cấp cho nồi đun dịch nha với houblon: Lượng nhiệt cần để tăng nhiệt độ hỗn hợp từ 78oC lên 100oC: Q31 = C3*462,974*(100-78) = 8851,137 (kcal) Lượng nước bốc hơi trong nồi đun với houblon: W = Lượng dịch sau đường hóa + Lượng nước rửa bã – Lượng dịch nóng sau đun hoa = 462,974 + 113,217 - 483,76 = 92,431 (kg) Lượng nhiệt để bốc hơi nước trong nồi đun hoa là: Q32 = 540*W =540*92,431 = 49912,74 (kcal) Lượng nhiệt cần cung cấp cho nồi đun houblon (tổn thất 5%) là: Q3 = (Q31 + Q32)*105% = 61702,07 (kcal) Tổng lượng nhiệt cần tính trên 100kg nguyên liệu là: Q = Q1 + Q2 + Q3 = 8982,827 + 14427,559 + 61702,07 = 85112,456 (kcal) Lượng nhiệt cần cho 1 mẻ: Q1mẻ = 85112,456*7,774 = 661664,233 (kcal) Lượng nhiệt cần cho 1 ngày: Q1ngày = Q1mẻ*10 = 6616642,329 (kcal) Lượng nhiệt cần cho 1 năm: Q1năm = Q1mẻ*2950 = 1951909487 (kcal). Tính lượng hơi cần cho phân xưởng nấu: Lượng hơi và nhiệt có quan hệ theo công thức sau: (kg hơi) Trong đó: i: nhiệt hàm của hơi nước ở áp suất làm việc P = 2,5 kg/cm2, ứng với i= 640 kcal/kg. λ: nhiệt hàm của nước ngưng, λ = 100 kcal/kg. Lượng hơi cần cho 1 mẻ: D = 661664,233 /(640-100) = 1225,304 (kg hơi). Lượng hơi cần dùng trong 1 giờ: D1giờ = 1225,304 /2,4 = 510,54 (kg hơi/giờ) CHƯƠNG 4 : TÍNH VÀ CHỌN THIẾT BỊ Tổ chức sản xuất: Tổng số ngày trong năm: 365 ngày Số ngày nghỉ chủ nhật: 52 ngày Số ngày nghỉ tết: 5 ngày Số ngày nghỉ lễ: 4 ngày Số ngày nghỉ do sự cố: 2 ngày Nghỉ để bảo trì máy móc: 7 ngày Tổng số ngày nghỉ: 70 ngày Tổng số ngày làm việc: 295 ngày Kế hoạch sản xuất cho phân xưởng của phân xưởng sản xuất: Bảng 4.1: Kế hoạch sản xuất trong năm Quý % sản lượng cả năm Số mẻ/quý Số mẻ/ngày Số ngày sản xuất 1 2 3 4 30 20 20 30 750 525 525 750 10 7 7 10 74 73 74 74 Quý 1 và quý 4 là 2 quý có sản lượng cao nhất trong năm, chiếm 30% sản lượng bia cả năm. Do đó tính và chọn thiết bị dựa trên năng suất của 2 quý này. Nhập nguyên liệu Gàu tải nhập liệu vào silo: Silo dùng để chứa malt và gạo dùng trong nửa tháng. Lượng malt dùng trong 1 ngày = 5830,380 kg Lượng gạo dùng trong 1 ngày = 1943,460 kg Mỗi quý có 3 tháng, số ngày sản xuất trong quý n = 75 ngày. Số ngày sản xuất trong nửa tháng: Chọn n =13 ngày Lượng malt cần dùng để sản xuất trong nửa tháng: 13*5830,380 =75794,94 (kg). Lượng gạo sử dụng trong nửa tháng = 13. 1943,460 = 25264,98 (kg). Malt: Dự kiến nhập liệu vào silo trong 3 ngày, mỗi ngày làm việc 2 ca, mỗi ca 8 giờ. Vậy năng suất lý thuyết của gàu tải nhập liệu malt: Chọn hiệu suất của gàu tải là 85% nên thực tế, năng suất nhập liệu malt: Vì malt và gạo không vận chuyển cùng lúc nên có thể chọn chung 1 hệ thống gàu tải để nhập malt và gạo vào silo. Gạo: Dự kiến nhập liệu vào silo trong 3 ngày, mỗi ngày làm việc 2 ca, mỗi ca 8 giờ. Vậy năng suất lý thuyết của gàu tải nhập liệu gạo: Chọn hiệu suất của gàu tải là 85% nên thực tế, năng suất nhập liệu gạo: Chọn gàu tải: Chọn gàu tải cho cả malt và gạo có cùng năng suất. Tính và chọn silo: Malt: Khối lượng riêng của malt vàng: 530 kg/m3 Thể tích malt: Chọn silo: thân trụ đáy côn, thép tráng kẽm. Gạo: Khối lượng riêng của gạo: 700 kg/m3 Thể tích gạo : Chọn silo: Dùng 1 silo chứa gạo. Chọn silo chứa gạo có kích thước, thể tích như silo chứa malt. Vậy tổng cộng dùng 4 silo chứa malt và 1 silo chứa gạo. Phân xưởng nấu Gàu tải Malt: Lượng malt cần cho 1 mẻ: m1 = 583,04 kg Thời gian vận chuyển malt dự kiến là 15 phút. Hiệu suất làm việc của gàu tải là 85%. Năng suất gàu tải: Gạo: Lượng gạo cần cho mẻ: m2 = 194,35 kg Thời gian vận chuyển gạo dự kiến là 5 phút. Hiệu suất làm việc của gàu tải là 85 %. Năng suất gàu tải: Chọn vít tải Chọn vít tải có năng suất tương tự năng suất của gàu tải. Máy sàng Lựa thiết bị theo lượng malt: Lượng malt cần cho 1 mẻ: m1 = 583,04 kg Thời gian sàng 1 mẻ là 15 phút. Năng suất máy sàng: 4.2.4 Cân Trước khi đưa nguyên liệu từ sàng vào máy nghiền, nguyên liệu phải được cân để đảm bảo đủ khối lượng cần thiết. Chọn cân loại tự động có năng suất phù hợp năng suất của máy sàng. 4.2.5 Thùng chứa nguyên liệu trước khi nghiền: Thùng chứa Malt trước khi nghiền: Thể tích malt cần chứa trong 1 ngày: VM=(lượng nguyên liệu sử dụng trong 1 ngày*1,1)/khối lượng riêng của malt. =(5830,38*1,1)/550=11,66 (m3) Chọn thùng chứa Malt hình trụ, đáy côn, kích thước: D=3,2 m H=4m Góc nón:60o Thể tích sử dụng là: 30 m3 Thùng chứa gạo trước khi nghiền: VG= (1943,46 *1.1)/1200=1,78 m3 Chọn thùng gạo hình trụ, đáy côn, kích thước: D=2m H=3 m Góc nón 60o Thể tích sử dụng: 9 m3 4.2.5 Thiết bị nghiền : Thiết bị nghiền malt: thiết bị nghiền 6 trục Lượng malt cần cho 1 mẻ: m1 = 583,04 kg Thời gian nghiền 1 mẻ: 15 phút Năng suất máy nghiền: Thiết bị nghiền gạo: máy nghiền búa Lượng gạo cần cho mẻ: m2 = 194,35 kg Thời gian nghiền gạo cho 1 mẻ: 15 phút Năng suất máy nghiền: Thùng chứa Thùng chứa bột malt Khối lượng riêng của malt r = 550 kg/m3 Khối lượng malt sử dụng trong 1 mẻ = 583,04 kg. Thể tích malt cho một mẻ nấu: Chọn hệ số chứa đầy là 0,9 Thể tích thùng chứa malt: Chọn thùng hình trụ, đáy nón. Với H: Chiều cao phần hình trụ H: Chiều cao đáy nón Chọn D =H = 2h → D = H = 1,5m; h = 0,75m. Kích thước thùng chứa malt DxHxh = 1,5*1,5*0,75m. Thùng chứa bột gạo: Khối lượng riêng của gạo r = 1200 kg/m3 Khối lượng gạo sử dụng trong 1 mẻ = 194,346 kg Thể tích thùng chứa gạo là: Chọn thùng chứa malt hình trụ đáy côn, Thể tích: 1m3 Chọn D=H=2h → D=H=1m h=0,5m Kích thước thùng chứa gạo: DxHxh = 1x1x0,5 m. Nồi nấu Nồi nấu malt: Tổng lượng dịch ở nồi nấu sau khi bổ sung thế liệu: 462,974*7,77 = 3597,31kg = 3,91 m3 Hệ số sử dụng của nồi nấu là 70% Vậy thể tích thực của nồi nấu là: V= 3,91/0,7 = 5,58 m3 Chọn thiết bị hình trụ, đường kính 2,5 m, cao 1,5m, V = 7,36 m3. Nồi nấu gạo: Tổng hỗn hợp bột và nước ban đầu trong nồi hồ hóa: 98,504*7,77 = 765,38 kg = 0,73 m3 Hệ số sử dụng của nồi nấu gạo là 70%. Vậy thể tích thực của nồi nấu gạo là: V=0,73/0,7 = 1,04 m3 Chọn thiết bị hình trụ, đường kính 2m ,cao 1m, V = 3,14 m3. Thiết bị lọc bã malt Thể tích cháo malt cần lọc mỗi mẻ: 3,91 m3. Thời gian lọc: 2 giờ. Năng suất của thiết bị: Hệ số sử dụng của thiết bị lọc bã malt là 80%. Vậy thể tích của thiết bị lọc là: V = 1,95/0,8 = 2,44 m3. Chọn thiết bị hình trụ, đường kính 2m ,cao 1m, V = 3,14 m3. Thùng chứa bã malt: Lượng bã ướt thu được 1 mẻ = 632,42 (kg) 0,633 (m3) Chọn thùng hình trụ, đáy nón có V = 1m3 Thùng chứa nước rửa bã malt Thể tích dịch đường đun sôi là: VS = 13,102 (m3) Thể tích cháo malt cần lọc là: Vcháo = 11,9781(m3) Vậy thể tích nước rửa bã khi lọc là: Ta tính nước rửa bã cho 2 mẻ nấu: Hệ số sử dụng của thùng chứa nước rửa bã là 80% thì thể tích thật của thùng : Chọn thùng hình trụ có kích thước: D=2,5m H=2,5 m Bơm Bơm cháo từ nồi gạo sang nồi malt: Lượng cháo gạo cần bơm trong 1 mẻ là: Thời gian bơm hết lượng cháo là 10 phút Vậy năng suất bơm: Chọn bơm ly tâm loại HX – 4P chịu nhiệt độ cao (1000C) Bơm dịch đường từ nồi malt sang nồi lọc: Lượng hỗn hợp malt và cháo gạo trong 1 mẻ là: Lượng cháo cần bơm từ nồi 1 sang nồi 2 là: Thời gian bơm hết lượng cháo là 10 phút Vậy năng suất bơm: Chọn bơm ly tâm loại HX – 4P chịu nhiệt độ cao (1000C) [Bơm – Quạt – Máy nén] Bơm dịch đường từ nồi lọc sang nồi đun sôi Lượng hỗn hợp cháo malt và cháo gạo trong 1 mẻ: Thời gian bơm hết lượng cháo là: 20 phút Vậy năng suất bơm Chọn bơm ly tâm làm bằng thép không rỉ AISI 304 Nồi đun sôi với hoa Houblon Lượng dịch đường đun sôi là: Vs = 13,102 (m3). Hệ số sử dụng của nồi là 80%. Thể tích thực của nồi là: Chọn nồi hình trụ, nồi được gia nhiệt bằng hơi nước Chọn nồi đun sôi với hoa houblon có các thông số kỹ thuật sau: Bơm dịch đường từ nồi đun sôi sang thùng lắng Whirlpool Khi đun sôi với hoa houblon sẽ có 1 phần nước bị bay hơi: khoảng 7 %. Thể tích dịch đường sau houblon hoá trong 1 mẻ là: Thời gian bơm đến thiết bị Whirlpool là 15 phút Năng suất của bơm là : Thiết bị lắng Chọn loại thùng lằng whirlpool có ống dẫn dịch đường đi vào theo phương tiếp tuyến cách đáy thùng 2/3 theo chiều cao và có 3 của tháo dịch đường sau khi lắng. Thể tích dịch đường lắng trong 1 mẻ: Vh = 12,185 (m3) Hệ số sử dụng của thiết bị là 0,8. Thể tích thật của thùng là: Chọn thùng hình trụ làm bằng thép không rỉ có thể tích:16m3 Chọn H =1,5 D: H =3,6 (m) D =2,4m Bơm dịch đường từ thùng lắng sang thiết bị làm lạnh nhanh Lượng dịch cần bơm trong 1 mẻ là: Vh = 12.185 (m3) Thời gian bơm dịch đường từ thùng lắng đến thiết bị làm lạnh là 15 phút. Năng suất bơm: Thùng chứa nước cho phân xưởng nấu: Lượng nước sử dụng cho phân xưởng nấu trong 1 ngày = 122,427 m3 Vậy trong 1 mẻ lượng nước cần là: Chọn thùng hình trụ làm bằng thép không gỉ có dung tích V = 25 m3 => Đường kính thùng D = 3,2m và chiều cao H = 3,2m. Đặt hàng. Phân xưởng lên men: Thiết bị làm lạnh Lượng dịch nha cần làm lạnh là: Vh = 12,185 (m3). Thời gian làm lạnh dự kiến là: 20 phút. Làm lạnh bằng thiết bị bản mỏng. Năng suất làm lạnh của thiết bị là: TB cung cấp oxy cho dịch nha Hàm lượng oxy cung cấp là 6mg/l dịch nha. Lượng không khí cung cấp cho dịch nha trong 1 mẻ: Vkk = 442,4525 (l). Thời gian bão hòa oxy là: 20 phút. Năng suất của thiết bị là: Tank lên men Thể tích của tank out door: Thể tích nấm men cấy vào bằng 6% thể tích dịch nha Hệ số sử dụng của tank 90% (lượng dịch nha chứa trong bồn chiếm 2/3 chiều cao bồn nhằm tạo khoảng không cho sự sinh khí CO2 trong quá trình lên men) Số mẻ dự định châm cho 1 tank lên men : 10 (mẻ) Số tank lên men: Vậy số tank sử dụng là (cái). Hình 4.3: Tank lên men bia Chọn tank có thông số kĩ thuật: Thiết bị ở phòng xử lý men. Thông thường 100l dịch sau lên men thu được 6l sữa men Lượng sữa men thu được 1 tank là: Lượng sữa men thu được: 1/3 được tuần hoàn tái sử dụng cho lần lên men sau, 2/3 còn lại đem ép bán làm thức ăn gia súc Thùng chứa nấm men bẩn Thể tích nấm men bẩn: Hệ số sử dụng của thùng: 0,9 Thể tích thực của thùng: Chọn thùng hình trụ đáy nón: Chọn các kích thước của thùng: D = H =2h Vậy D = 2m H = 2m h = 1m Thùng bảo quản nấm men sạch Thể tích nấm men sạch: Hệ số sử dụng của thùng: 0,9 Thể tích thực của thùng: Chọn thùng chứa thân trụ, đáy côn có các thông số kỹ thuật sau: D = H =2h Vậy D=1,2 m H=1,2 m h=0,6 m Đặt hàng Hệ thống nhân men giống Thùng chứa men thu hồi Thể tích men thu hồi 1 mẻ = (l) Thể tích men thu hồi trong 1 ngày = 1896,225 (l) Chọn thùng hình trụ, dung tích V = 2 m3. Đường kính thùng D = 1,2m và chiều cao thùng H = 1,77m. Đặt hàng. Bơm men thu hồi về thùng chứa Thể tích men thu hồi 1 mẻ = (l)=0.1896225 (m3) Thời gian bơm là 15 phút. Vậy năng suất máy bơm cần: Bơm bia từ thùng lên men đến TB lọc Thể tích bia thành phẩm 1 mẻ = 11,9822 (m3) Thời gian bơm bia đi lọc là 1 giờ. Năng suất yêu cầu của máy bơm Thiết bị lọc: Thể tích bia cần lọc 1 mẻ = 11,9822 m3 Thời gian lọc là giờ. Năng suất yêu cầu máy lọc: Chọn thiết bị lọc đĩa có các thông số: Bơm qua hệ thống lọc Thời gian dự kiến bơm là 0,5 giờ Vậy năng suất lọc là: 11,9822/0,5=23,96 m3/h Chọn bơm ly tâm làm bằng thép không rỉ AISI 304 Máy làm lạnh bia nhanh Lượng dịch nha cần làm lạnh là: Vh = 12,185 (m3) Thời gian làm lạnh dự kiến là: 20 phút. Làm lạnh bằng thiết bị bản mỏng. Năng suất làm lạnh của thiết bị là: Chọn thiết bị làm lạnh dạng vách ngăn với các thông số kỹ thuật như sau: Máy bão hòa CO2 Thể tích bia sau lọc trong 1mẻ: Vtt = 12,4763 (m3) Thời gian bão hoà CO2 dự kiến: trong 40 phút Năng suất của máy bão hòa CO2: Chọn máy bão hòa CO2 có các thông số kỹ thuật sau: Thùng tàng trữ bia Dự kiến trữ bia 1 ngày trước khi chiết. Thể tích bia tàng trữ trong 1 ngày: V*tt = 101,22 (m3). Chọn tank chứa hình trụ, đáy nón có các thông số kỹ thuật sau: Đường kính: 2m Chiều dài thân trụ: 3,4 m Thể tích sử dụng 10 m3 Vậy cần 10 tank . Phân xưởng chiết Sản lượng bia lon trong 1 ngày: Sl =k*N=10*29312 = 293120 lon. Tiến hành chiết lon trong 2 ca nên năng suất bia lon trong 1 ngày là: Qc = 293120/16=18320 lon/h Bơm bia từ thùng tàng trữ đến hệ thống chiết Thời gian làm việc của bơm phải tương ứng với thời gian chiết lon. Do đó năng suất của bơm là: . Tài liệu tham khảo: Hoàng Đình Hòa, Công nghệ sản xuất malt và bia, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1998 Bùi Ái, Công nghệ lên men ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2003 Đỗ Thị Ngọc Khánh – Huỳnh Phan Tùng, Kỹ thuật an toàn vệ sinh lao động, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP. HCM, 2003. Lê Ngọc Tú (Chủ biên), Hóa sinh công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2002. Nguyễn Đức Lượng, Vi sinh vật học công nghiệp, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP. HCM, 2002. Nguyễn Văn May, Bơm – Quạt – Máy nén, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, Phùng Ngọc Thạch, Nguyên lý thiết kế xây dựng nhà máy hóa chất, Trường Đại học Bách Khoa – Bộ môn xây dựng công nghiệp, Khoa đại học tại chức, 1974. Trần Xoa – Nguyễn Trọng Khuông – Hồ Lê Viên, Sổ tay Quá Trình và Thiết Bị Công nghệ Hóa Chất Tập I, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, 1992, [626 trang]. Trần Xoa – Nguyễn Trọng Khuông – Hồ Lê Viên, Sổ tay Quá Trình và Thiết Bị Công nghệ Hóa Chất Tập II, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, 1992. Handbook of Brewing - Fergus G. Priest và Graham G. Stewart. 2006.